Основы работы дизельного двигателя

Дизель — это двигатель с внутренним смесеобразованием и воспламенением горючей смеси от сжатия. Необходимый для процесса сгорания воздух сильно сжимается в камере сгорания, в результате чего в ней создается высокая температура. Под ее действием впрыскиваемое в камеру сгорания дизельное топливо воспламеняется и запасенная в нем химическая энергия преобразуется в цилиндре через теплоту в механическую работу.


Дизель — это двигатель внутреннего сгорания с высокоэффективным КПД (более 50% в крупных ннзкооборотных версиях). Связанные с этим низкий расход топлива и низкая токсичность ОГ и уменьшенный предварительным впрыском шум придают этим силовым агрегатам большое значение. Дизель особенно адаптирован к наддуву воздуха, что не только повышает выходную мощность и коэффициент полезного действия, но и, кроме того, уменьшает содержание вредных веществ в ОГ и снижает шум сгорания. Для сокращения эмиссии NOx в легковых и грузовых автомобилях часть ОГ

возвращается во впускной тракт двигателя (рециркуляция ОГ). Чтобы получить еще более низкие выбросы NOv возвращаемые ОГ могут охлаждаться.Дизели работают как по двухтактному, так и по четырехтактному принципу. Сегодня на автомобилях используются преимущественно четырехтактные дизели. 

Принцип действия


Дизельный двигатель может быть одноили многоцилиндровым. При сгорании топлнвовоздушной смеси в камере сгорания повышается давление, под действием которого поршень 3 (рис. 1) начинает возвратно-поступательное движение в цилиндре 5. Этот принцип действия дал мотору наименование «поршневой двигатель». Шатун 11 превращает возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение коленчатого вала 14. Маховик 15 на коленчатом валу облегчает переход поршней через мертвые точки и сглаживает неравномерность вращения, возникающую из-за последовательного сгорания гопливовоздушной смеси в отдельных цилиндрах.

boschdiesel 7

Рис.1
1. Распределительный вал
2. Клапан
3. Поршень
4. Система впрыска
5. Цилиндр
6. Система рецирму ляции ОГ
7. Впускной трубопровод
8. Нагнетатель воздуха в данном случае — турбонагнетатель
9. Выпускной коллектор
10. Система охлаждения
11. Шатун
12. Система смазки
13. Блок цилиндров
14. Коленчатый вал
15. Маховик

Четырехтактный процесс


В четырехтактном дизеле (рис. 2) клапаны механизма газораспределения управляют впуском воздуха и выпуском ОГ. Они открывают или закрывают впускные и выпускные каналы головки цилиндров. Каждый впускной и выпускной канал может иметь один, два или три клапана.

 


boschdiesel 8

 

Рис. 2
а - впуск
b сжатие
с - рабочий под
d выпуск
1. Впускной распределительный вал
2. Форсунка
3. Впускной клапан
4. Выпускной клапан
5. Выемка в днище поршня
6. Поршень
7. Стенка цилиндра
8. Шатун
9. Коленчатый вал
10. Выпускной распределительный вал
я - угол поворота коленчатого вала
d - диаметр цилиндра
М - крутящий момент
S - код поршня
у. - обьем камеры сгорания
V„ - рабочий обьем
ВМТ - верхняя мертвая точка поршня
НМТ - нижняя мертвая точка поршня


 

Первый такт - впуск (а)


Поршень о, находящийся в верхней мертвой точке (ВМТ), движется вниз и увеличивает объем цилиндра. Дроссельная заслонка отсутствует, и воздух через открытый впускной клапан 3 поступает непосредственно в цилиндр. В нижней мертвой точке (НМТ) поршня объем цилиндра достигает своего максимального значения (Vh+Vc).


Второй такт - сжатие (Ь)


Клапаны механизма газораспределения закрыты. Движущийся поршень сжимает заключенный в цилиндре воздух, который, сообразно степени сжатия (от 6 у больших двигателей до 24 у двигателей легковых автомобилей), нагревается до высокой температуры, максимально доходящей до 900°С. В конце процесса сжатия форсунка впрыскивает топливо в разогретый воздух под высоким давлением (в настоящее время приблизительно до 2000 бар). В ВМТ поршня объем цилиндра достигает минимального значения (объем камеры сгорания V ).


Третий такт - рабочий ход (с)


После задержки воспламенения (несколько градусов угла поворота коленчатого вала) начинается рабочий ход. Тонко распыленное дизельное топливо воспламеняется в сильно сжатом горячем воздухе в камере сгорания и сгорает. Вследствие этого заряд топливовоздушной смеси в цилиндре продолжает разогреваться дальше и давление в цилиндре поднимается еще выше. Освобожденная
при сгорании энергии определяется количеством впрыснутого топлива (качественное регулирование). Под действием давления поршень движется вниз, при этом тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Кривошиино-шатунный механизм преобразует кинетическую
энергию поршня в энергию вращения коленчатого вала.


Четвертый такт - выпуск (d)


Уже незадолго до НМТ поршня открывается выпускной клапан 4. Находящиеся под давлением горячие газы начинают выходить из цилиндра. Движущийся вверх поршень вытесняет остальные ОГ. После двух оборотов коленчатого вала новый рабочий цикл начинается с такта впуска.

Кулачки впуска и выпуска распределительного вала служат для открытия и закрытия клапанов. У двигателей с одним распределительным валом движение от кулачков чаще всего передается на клапаны с помощью коромысел. Фазы газораспределения икпючяют к себя моменты открытия и закрытия клапанов по отношению к положению коленчатого вала (рис. 4), поэтому они указываются в градусах угла поворота коленчатого вала.


boschdiesel 9

Рис. 4
АО - выпускной клапан открыт
AS выпускной клапан закрыт
ВВ - начало сгорания
Ей - впускной клапан открыт
ES впускной клапан закрыт
EZ - момент начала впрыскивания
ZD - перекрытие клапанов А выпускной клапан
Е - впускной клапан


Распределительный вал приводится от коленчатого вала зубчатым ремнем, цепью или набором шестерен. При четырехтактном процессе рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала, поэтому распределительный вал вращается с вдвое меньшей частотой, чем
коленчатый. Передаточное отношение между коленчатым и распределительным валами составляет, таким образом, 2:1. При переходе от такта выпуска к такту впуска все клапаны некоторое время открыты одновременно — этот момент называется перекрытием клапанов. При
этом оставшиеся в камере сгорания ОГ вытесняются свежим зарядом воздуха в выпускной коллектор, одновременно охлаждая цилиндр.

Сжатие


Зная рабочий объем Vh и объем камеры сгорания V можно определить степень сжатия с:boschdiesel 10Величина степени сжатия в двигателе оказывает решающее влияние на:

• процесс холодного пуска;
• развиваемый кру гящии момен т;
• расход топлива;
• шумность работы дизеля;
• эмиссию ОГ.


В зависимости от конструкции двигателя и типа смесеобразования степень сжатия дизелей для легковых и грузовых автомобилей составляет е = 16...24. Эта величина значительно выше, чем у бензинового мотора (е = 7... 13). Из-за ограниченных антидетонационных свойств бензина топливовозлушная смесь при высоком давлении сжатия в камере сгорания и возникающей при этом высокой температуре самовоспламенялась бы неконтролируемым образом. Воздух в дизелях сжимается до 30...50 бар в двигателях без наддува и до 70... 150 бар в двигателях с наддувом. Температура при этом достигает 700...900°С (рис. 3). Температура воспламенения для легковоспламеняющихся
компонентов дизельного топлива составляет около 250°С.


boschdiesel 11